高中物理二年级选择性必修第三册 温度和温标 知识清单

高中物理二年级选择性必修第三册温度和温标知识清单▲【热学奠基篇】系统、状态参量与平衡态（一）热力学系统与外界在热学中，为了研究的方便，我们通常从周围的物体中把一部分物体分离出来，作为研究对象。这个由大量微观粒子（分子、原子等）组成的、具有宏观特性的研究对象，被称为热力学系统，简称系统。系统之外，与系统发生相互作用的其它一切物体，统称为外界或环境。理解系统与外界的划分是研究热学问题的起点，它决定了我们分析问题的边界。例如，当我们研究气缸内的气体时，气体是系统，而气缸、活塞以及外界大气等则是外界910。（二）状态参量如同在力学中用位置、速度等参量描述物体的运动状态一样，在热学中，我们需要用一些物理量来描述系统的热学状态，这些物理量称为状态参量。由于热现象是大量微观粒子运动的宏观表现，因此描述系统状态的参量通常是宏观量。常用的状态参量包括：★【基础】几何参量：描述系统占据的空间范围，最常见的即体积V。它不是指分子本身体积的总和，而是指气体所能到达的空间容积。★【基础】力学参量：描述系统的力的状况，对于气体而言，就是压强p，它是气体分子频繁撞击器壁的宏观表现。★【重要】热学参量：描述系统的冷热程度，即温度T。它是热学系统中独有的、最具核心意义的状态参量。对于一定质量的理想气体，其状态通常可以由p、V、T中的任意两个独立参量唯一确定，第三个参量便随之确定，它们之间满足特定的状态方程。（三）平衡态——动态的稳定▲【重要】【难点】如果一个热力学系统在与外界没有能量交换（即不受外界影响）的条件下，经过足够长的时间，其宏观性质（如压强、体积、温度）不再随时间发生变化，这时我们称该系统处于平衡态。这里需要特别强调的是，平衡态是一种动态平衡。从微观角度看，组成系统的分子仍在永不停息地做无规则热运动，只是大量分子运动的统计平均效果（如平均动能、数密度）保持不变，从而使得宏观状态参量稳定。这与力学中所说的静止或匀速直线运动（无净力作用）的平衡有着本质区别。例如，一根粗细均匀的铁棍，一端与沸水接触，另一端与冰水混合物接触，经过足够长的时间，虽然棍上各点的温度不再随时间变化，呈现一个稳定的温度梯度，但由于存在外界影响（热源持续作用），它并未与外界达到平衡，因此这种稳定状态并非平衡态，而是稳定态。只有将系统孤立起来，内部不再有任何宏观的能量和物质流动，最终达到的状态才是平衡态710。（四）【高频考点】平衡态的判断要点判断一个系统是否处于平衡态，必须抓住两个核心要素：一是“不受外界影响”，这是前提条件；二是“状态参量不随时间变化”，这是表现特征。二者缺一不可。不能简单地认为只要状态参量不变就是平衡态，必须排除外界持续作用的干扰。★【核心枢纽篇】热平衡与热力学第零定律（一）热平衡的概念当我们把两个冷热程度不同的系统（例如一杯热水和一块冷金属）发生接触，它们之间会因为温度差异而发生热传递。最终，两个系统的状态参量都将不再变化，此时我们便说这两个系统达到了热平衡。可见，热平衡是指两个原本存在热联系的系统，在相互接触并经过足够长时间后，所达到的一个共同的稳定状态79。（二）热力学第零定律——温度存在的基石▲▲【非常重要】【核心原理】在大量实验事实的基础上，人们总结出一个基本规律：如果两个系统（如A和B）分别与第三个系统（如C）处于热平衡，那么A和B彼此接触时，也必定处于热平衡，不会发生热传递。这个规律被称为热平衡定律，由于它是在热力学第一、第二定律之后才被认识到其根本性的基础地位，因此被命名为热力学第零定律。这一定律的深刻物理意义在于，它揭示了“温度”这一概念的存在性和可测量性。它告诉我们，互为热平衡的系统必然拥有一个共同的宏观性质，我们把这个决定系统是否处于同一热平衡状态的宏观属性定义为温度。换句话说，温度是判别一个系统与其它系统是否达到热平衡的物理量。一切处于热平衡的系统，其温度均相同37。（三）【难点辨析】平衡态与热平衡的区别与联系这是初学者极易混淆的两个概念。平衡态描述的是一个孤立系统内部的状态，强调的是在无外界影响下，自身状态参量的稳定性。而热平衡描述的是两个或两个以上系统通过热接触后，所达到的共同的宏观状态，强调的是它们之间温度相等、无净热传递。两者之间的联系在于：当两个系统达到热平衡时，它们各自都处于平衡态；反之，两个分别处于平衡态的系统，如果它们的温度不同，则并未相互达到热平衡。★【实践应用篇】温度计与温标的建立（一）温度计的测温原理温度计之所以能够测量温度，其根本原理就是基于热平衡。当我们将温度计与被测物体接触时，两者会发生热传递，直至达到热平衡。此时，温度计的温度就等于被测物体的温度。因此，温度计本质上是一个用于率先与其它系统达到热平衡，并将其温度状态（通过某种物理性质的变化）指示出来的“第三方系统”57。（二）温标的三要素要定量地表示温度，就必须建立一套温度数值化的规则，这就是温标。建立一种温标，通常包含三个必不可少的要素：1.【基础】选择测温物质：作为温度计的的工作物质，如水银、酒精、铂电阻、理想气体等。2.【基础】确定测温属性：利用测温物质的某种随温度变化的属性，如水银的热胀冷缩（体积）、铂的电阻变化、气体的压强或体积变化等。3.【基础】规定固定点和分度方法：选定若干个易于复现的恒定温度点（如冰水混合物、沸水）作为基准，并规定基准点的温度值，以及如何将基准点之间的温度间隔进行划分（即确定每一度的大小）。（三）两种重要的温标★【高频考点】摄氏温标与热力学温标1.摄氏温标（t）：这是一种常用的温标，它规定在标准大气压下，冰水混合物的温度为0摄氏度（0℃），水的沸点为100摄氏度（100℃），并将0℃到100℃之间均匀划分为100等份，每一份为1摄氏度。2.热力学温标（T）：这是一种不依赖于任何特定测温物质及其测温属性的、具有理论基础的理想温标，由英国科学家开尔文创立，因此也称为开尔文温标。它是国际单位制（SI）中七个基本物理量之一。3.【必考换算】摄氏温度与热力学温度的关系由下式精确给出：T=t+273.15T=t+273.15T=t+273.15式中T的单位是开尔文，简称开，符号为K；t的单位是摄氏度，符号为℃。▲【重要】【易错点】在使用这个公式时，需要注意：温差关系：当温度变化1℃时，热力学温度也变化1K，即ΔT=Δt。这表明两种温标在表示温度间隔上是等价的。零点不同：热力学温标的零点（0K）被称为绝对零度，对应摄氏温度的273.15℃。绝对零度是理论上可以达到的低温极限，但根据热力学第三定律，任何系统的温度都无法通过有限次操作达到绝对零度。单位符号书写：摄氏度的符号“℃”书写时不能拆开，如“37摄氏度”写作37℃；开尔文的符号K同样是一个整体，如“300开尔文”写作300K，不需要也不可以加“°”。（四）【拓展视野】常见温度计的原理简介不同的温度计利用了不同的测温属性：水银/酒精温度计：利用液体（测温物质）的热胀冷缩（体积变化）性质710。铂电阻温度计：利用金属（测温物质）的电阻随温度升高而增大的性质7。热电偶温度计：利用两种不同导体（测温物质）的连接点因温度差异产生电动势（热电效应）的性质7。气体温度计：利用气体（测温物质）在体积恒定或压强恒定条件下，压强或体积随温度变化显著变化的性质。它是复现热力学温标的重要工具。★【备考实战篇】考点、考向与解题策略（一）【高频考点】分布1.平衡态与热平衡的概念辨析（多以选择题形式出现）。2.热力学第零定律的理解及其在温度定义中的作用。3.摄氏温度与热力学温度的换算，尤其是关于温度变化量的计算。4.温度计的测温原理分析，特别是伽利略温度计等非常规温度计的工作原理。（二）【典型例题】题型与解题思路【考向1】：基本概念理解（多选）下列说法正确的是（）A.一个系统内部的状态参量不随时间变化，则该系统一定处于平衡态B.两个系统处于热平衡时，它们必定具有相同的温度C.热力学第零定律是测量温度的理论依据D.温度是描述物体冷热程度的物理量，是决定热量传递方向的唯一因素【解析】：A选项错误。状态参量不随时间变化是平衡态的特征，但还必须满足“不受外界影响”的前提。例如前面提到的有稳定温度梯度的金属棒，其状态参量（各点温度）不随时间变化，但它并未与外界隔绝，因此不是平衡态，只是一个稳定态。B选项正确。这是热平衡的定义，温度相同是达到热平衡的充要条件。C选项正确。热力学第零定律告诉我们，处于同一热平衡状态的系统具有相同的温度，这使我们能够通过温度计这个“第三方”来比较不同物体的温度。D选项正确。热量传递的宏观规律就是自发地从高温物体传到低温物体，这里起决定作用的就是温度的高低，而非内能等其他因素。本题正确答案为B、C、D。【考向2】：温标换算与计算假设某物体的温度从27℃升高了50℃，则其热力学温度的变化量ΔT是多少？升高后的热力学温度是多少？【解答要点】：本题旨在考察学生对“温度变化量”的理解。第一步：由于ΔT=Δt，所以热力学温度的变化量ΔT=50K。第二步：计算初始状态的热力学温度T1=t1+273.15=27+273.15=300.15K。第三步：升高后的热力学温度T2=T1+ΔT=300.15+50=350.15K。【易错点】：部分学生会错误地将Δt直接与273.15相加，或者混淆了温度值与温度变化量的关系。必须牢记，只有在进行温度值的换算时才需要加减273.15，温度变化量是等价的。【考向3】：创新实验与原理分析（经典伽利略温度计问题）如图为一根上端封闭、下端开口、插入水银槽中的玻璃管，管内封闭了一段空气柱。当环境温度升高时，管内空气柱的长度l和水银槽中水银面与管内水银面的高度差h将如何变化？试说明其测温原理。【解答思路】：这是利用气体的热胀冷缩（等压变化或等容变化）来工作的气体温度计。1.【明确测温物质】：封闭在玻璃管内的空气。2.【明确测温属性】：在压强近似等于大气压（若管足够细，可忽略水银柱产生的压强变化）的情况下，空气柱的体积（表现为长度l）随温度升高而膨胀。3.【动态分析】：当温度升高时，内部气体体积膨胀，推动液柱下降，因此l变大。同时，由于更多的气体将水银往下压，导致管内液面下降，使得管内外的水银面高度差h增大。若忽略大气压变化，气体的压强p=p0ρgh，当h增大时，气体的压强会略微减小，但这不影响其作为温度计的定性或半定量指示。因此，这个简易温度计是利用了气体的热胀冷缩性质，通过观察空气柱长度l（或高度差h）的变化来感知温度的变化。（三）【难点突破】理解绝对零度的物理意义绝对零度（0K）并非一个可以实际达到的温度点，它是一个理论极限。根据分子动理论，温度反映了分子热运动的剧烈程度，即分子平均动能的大小。当温度趋近于绝对零度时，分子热运动几乎停息，其动能趋近于零。但量子力学的不确定性原理告诉我们，即使是在绝对零度下，微观粒子也存在着不可避免的零点振动和零点能，因此分子并非完全静止。绝对零度不可达，但科学家可以通过各种